Введение к работе
Актуальность работы
При ведении горно-строительных работ в обводненных неустойчивых массивах глинистых пород углевмещающих наносов необходимо проводить их укрепление. В практике горного дела нашли применение напорно-инъекционные методы укрепления горных пород цементными и химическими растворами. В случае малопроницаемых массивов, когда эти методы недостаточно эффективны, весьма перспективны электроосмотическое осушение и электрохимическое упрочнение. Широкое применение предварительного инъекционного и электрохимического укрепления массивов горных пород сдерживается отсутствием оперативных и малотрудоемких способов геоконтроля и прогноза их физического состояния, применение которых позволило бы обосновать оптимальные параметры технологии укрепления в конкретных горногеологических и горно-технических условиях.
Существующие маркшейдерско-геологические методы требуют больших объемов буровых работ. Гидро- и газодинамические методы весьма трудоемки, кроме того, они не эффективны в малопроницаемых песчано-глинистых грунтах. Геофизические (сейсмические, акустические, ультразвуковые, высокочастотные электромагнитные и др.) методы основаны на применении дорогостоящей аппаратуры, недостаточно надежны и помехоустойчивы.
Целесообразно применение для решения данной проблемы бесскважинного геоэлектрического контроля, основанного на связи аномалий удельного электросопротивления (УЭС) и параметров электрического поля с пористостью, влажностью, прочностью массива горных пород. В настоящее время не решены следующие задачи: не исследованы электрические и электрохимические свойства природных растворов в обводненных зонах и укрепляющих смесей на разных стадиях схватывания; не установлены закономерности перераспределения электрических полей в зоне инъекционной и электроосмотической обработки; не разработаны способы и методики прогноза параметров обводненных зон и основных стадий инъекционного укрепления водонасыщенных неустойчивых массивов горных пород с земной поверхности.
Решение данных задач позволит значительно снизить затраты, сократить сроки строительства разрезов и шахт, улучшить условия труда горняков.
Актуальным представляется теоретическое, экспериментальное исследование электрических свойств и разработка способов геоэлектрического прогноза параметров обводненных неустойчивых зон массивов глинистых горцу пород,
обеспечивающих управление процессами их укфи«вний^і^й>НАійЙйпт'іЬрньіх ра-
, БИБЛИОТЕКА
CMtnK&M
ООТ- 1 СПетврвОТГ -
| ОЭ 300j»«?
Исследования выполнялись в соответствии с планами НИР ГУ КузГТУ и Минтопэнерго.
Цель работы - исследование электрических свойств и прогноз физического состояния зон укрепления влагонасыщенных глинистых горных пород, обеспечивающие повышение оперативности и снижение трудоемкости прогноза параметров обводненных неустойчивых массивов и эффективный контроль качества их инъекционного укрепления.
Основная идея работы заключается в использовании аномалий геоэлектрических полей в районе зоны укрепления для определения геометрических параметров обводненных зон, прогноза процессов распространения и твердения укрепляющих растворов.
Задачи исследования:
изучение координатно-временных аномалий геоэлектрических полей в районе укрепляемых водонасыщенных зон;
определение электрических свойств природных жидкостей, укрепляющих растворов и укрепляемых грунтов;
разработка и реализация способов геоэлектрического прогноза параметров обводненных зон массивов горных пород наносов и основных стадий их укрепления.
Методы и объекты исследований. Выполнен комплекс исследований, включающий анализ и обобщение литературных данных, аналитические и компьютерные исследования с использованием классических методов электроразведки и электродинамики; лабораторные экспериментальные исследования образцов природных жидкостей и укрепляющих растворов, грунтов, а также физических моделей зоны инъекционного укрепления; натурные экспериментальные исследования на геополигоне, участках ведения горных работ и гидротехнических сооружений угольных предприятий с привлечением данных, полученных геологическими и механическими методами; статистическая обработка результатов измерений.
Объекты исследований - массивы горных пород глинистых углевмещаю-щих наносов, насыпные техногенные массивы горнотехнических сооружений угольных предприятий.
Научные положения, защищаемые в диссертации:
- мощность протяженного водонасыщенного слоя и эффективный радиус
локальной обводненной зоны пропорциональны величине отрицательного приращения эффективного УЭС над аномальной зоной при зондировании и электропрофилировании, а увеличение радиуса распространения инъекционного раствора пропорционально уменьшению УЭС контролируемой зоны, причем при 2-электродной схеме диапазон этого изменения параметра в 1,5-2,5 раза выше, чем при 4-электродной;
УЭС влагонасыщенных массивов горных пород гиперболически зависит от их пористости, причем структурный показатель для грунтов (супеси, суглинки, глины) изменяется в диапазоне 0,59-2,89, и линейно - от УЭС увлажняющего раствора, причем последнее гиперболически уменьшается с увеличением концентрации с показателем степени, изменяющимся в диапазоне 0,71-1,71 с увеличением частоты тока от 0 до 200 кГц;
повышение эффективности инъекционного и электрохимического укрепления влагонасыщенных горных пород обеспечивается предварительным установлением зависимости между УЭС и прочностью обработанного массива, прогнозированием на основе этой зависимости момента достижения требуемого уровня прочности и корректированием режима обработки в зависимости от интенсивности набора прочности.
Научная новизна работы заключается:
в установлении количественной связи аномалий удельного электросопротивления при бесскважинном электропрофилировании и зондировании с глубиной расположения и эффективным радиусом влагонасыщенной зоны;
в определении диапазонов изменения удельного электросопротивления для основных типов увлажненных пород наносного слоя при различной концентрации природных растворов, а также цементных и химических растворов в зависимости от концентрации, наличия добавок и стадии твердения;
в разработке способов контролируемого напорного инъекционного и электрохимического укрепления неустойчивых обводненных грунтов, предусматривающих регулирование режима обработки массива в зависимости от прогнозируемого изменения физических свойств массива на основе непрерывного геоэлектрического контроля интенсивности набора прочности пород в укрепленной зоне.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается:
использованием апробированных методов электродинамики и электроразведки;
применением стандартных методов лабораторных исследований электрических свойств растворов и грунтов, а также апробированных методик и аппара-
туры для натурных геоэлектрических исследований;
- положительными результатами сопоставления данных геоконтроля ано
мальных зон с материалами инженерно-геологических изысканий, геодезических
измерений и результатами статического зондирования грунтов на опытных участ
ках (расхождение прогнозных параметров не превышает 20%), а также внедрения
разработанных рекомендаций при строительстве и эксплуатации горных участков
и горнотехнических сооружений.
Личный вклад автора заключается:
в теоретическом анализе взаимосвязи геоэлектрических аномалий с параметрами протяженных и локальных проводящих включений на основе классических уравнений электроразведки, включая компьютерное моделирование;
в проведении комплексных лабораторных исследований электрофизических и электрохимических свойств растворов и грунтов в широком диапазоне частот, их обработке и анализе;
в разработке и реализации экспериментальной модели контролируемого электрохимического укрепления влагонасыщенных глинистых грунтов;
в разработке способов управляемого электрохимического укрепления горных пород и высокочастотного контроля состояния массива, основанных на результатах теоретических и лабораторных исследований;
в проведении натурных геоэлектрических исследований на геополигоне, участках открытых горных работ и горнотехнических сооружений, их обработке и анализе.
Научное значение работы заключается в установлении диапазонов изменения геоэлектрических параметров обводненных неустойчивых массивов глинистых горных пород в зоне инъекционного укрепления и разработке на этой основе способов количественного прогноза их свойств на стадиях оценки устойчивости, инъекции раствора и набора его прочности.
Практическая ценность работы заключается:
в разработке методик бесскважинного геоэлектрического прогноза изменений влажности и пористости, а также геометрических параметров обводненных неустойчивых зон в массивах глинистых горных пород;
в разработке методик геоэлектрического прогноза размеров зон распространения укрепляющих смесей и изменения прочности массива, укрепленного цементными и химическими растворами;
в обосновании области применения электрохимического укрепления грунтов в условиях Кузбасса и размеров зон, опасных по поражению током.
Реализация работы. Рекомендации по прогнозу изменения мощности вла-гонасыщенных глиносодержащих грунтов углевмещающих наносов использованы ОАО "Кузбасская горно-промышленная компания" при заложении капитальной разрезной траншеи строящегося разреза "Щербиновский". Результаты геоконтроля по диагностике обводненных неустойчивых зон в ограждающей перемычке гидроотвала №3 ОАО "Разрез Кедровский" и дамб гидротехнических сооружений ОАО "Шахта им СМ. Кирова" использованы НФ "КУЗБАСС-НИИОГР" для расчета и прогноза коэффициентов запаса фильтрационной устойчивости этих гидротехнических сооружений. Результаты работы включены составной частью в "Методические указания по контролю геомеханических и фильтрационных процессов в техногенных породо-грунтовых массивах гидротехнических сооружений горных предприятий комплексным геоэлектрическим методом", подготовленные совместно с НФ "КУЗБАСС-НИИОГР" и утвержденные руководством ОАО ХК "Кузбассразрезуголь".
Разработанные лабораторные установки, методики геоконтроля использованы при создании учебно-лабораторного комплекса, а результаты исследований - в учебном процессе при чтении курса "Методы и средства геоконтроля" для специальности 070600 ГУ КузГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы обсуждались на Неделе горняка-2000 (Москва, 2000 г.), на Международной научно-практической конференции в рамках выставки-ярмарки "Уголь России и майнинг" (Новокузнецк, 2002 г.), II Российско-китайском симпозиуме "Строительство подземных сооружений и шахт" (Кемерово, 2002 г.), на ежегодных научных конференциях студентов, аспирантов и преподавателей КузГТУ (Кемерово, 2000-2003 гг.).
Комплекс способов геоэлектрического контроля состояния и свойств массива горных пород, включающий разработки автора диссертации, награжден дипломом хі СТеПсНй іУіЄЖДуНарОДНОИ БЫСТаБКИ ^/КСПС-\^їїиИрЬ ^ivCivICpGBG, ^.00^. Г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ, в том числе получено 2 патента на изобретения.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, изложена на 147 страницах машинописного текста и содержит 49 рисунков, 11 таблиц, список литературных источников из 133 наименований, приложение.
